刀具半径补偿在数控加工中的应用毕业设计论文

刀具半径补偿在数控加工中的应用【摘要】：在数控铣床进行内外轮廓加工时，因为铣刀具有一定的半径，所以刀具中心轨迹与工件轮廓不重合。如果再加工过程中不考虑刀具半径，直接按照工件轮廓编程是比较方便的，而加工出来的零件外型尺寸会变小（也就是小了一圈 ），内孔或槽的会变大（也就是说尺寸大了一圈 ） 为此必须是刀具中心沿工件轮廓的法向偏移一个刀具的半径值 ， 而如果按照偏移后的尺寸来编程又会是编程变得复杂化 ，并且刀具出现磨损时还得修改程序 。 因此就引入了刀具的半径补偿 。 应用刀具的半径补偿功能时只需要按照轮廓进行编程 ， 然后将刀具半径输入数控系统中，执行程序时在调用刀补，数控系统会自动计算刀具中心轨迹进行刀具半径补偿，从而加工出符合要求的零件。当刀具在半径方向磨损时无需修改程序，只要将改变了的半径值重新输入数控系统即可，使编程工作大大简化。实践证明灵活的应用刀具半径补偿功能 ，合理的设置刀具半径补偿值，在数控加工中有着重要的意义。【关键词】：刀补 刀具 加工 铣削 半径引 言在20世纪6070年代的数控加工中还没有刀具补偿（简称刀补）的概念，编程人员不得不根据刀具的理论路线和实际路线的相对关系进行编程，既容易产生错误，又使得编程效率很低。当刀具补偿概念出现并应用到数控系统中后，编程人员就可以直接按照工件的轮廓尺寸进行程序编制。在数控铣床上进行工件轮廓的数控铣削加工时，由于存在刀具半径，使得刀具中心轨迹与工件轮廓（即编程轨迹）不重合。如果数控系统不具备刀具半径自动补偿功能，则只能按刀心轨迹，即在编程时给出刀具的中心轨迹，如图1所示的点划线轨迹进行编程。其计算相当复杂，尤其是当刀具磨损、重磨或换新刀而使刀具直径变化时，必须重新计算刀心轨迹，并修改程序。这样既复杂繁锁，又不易保证加工精度。当数控系统具备刀具半径补偿功能时，数控程序只需按工件轮廓编写，加工时数控系统会自动计算刀心轨迹，使刀具偏离工件轮廓一个半径值，即进行刀具半径补偿。图1 刀具半径补偿1.刀具半径补偿要了解刀补在数控加工中的应用首先要知道刀补在加工过程中的处理方法 1.1、基本轮廓处理要根据轮廓尺寸进行刀具半径补偿，必需计算刀具中心的运动轨迹，一般数控系统的轮廓控制通常仅限于直线和圆弧。对于直线而言，刀补后的刀具中心轨迹为平行于轮廓直线的一条直线，因此，只要计算出刀具中心轨迹的起点和终点坐标，刀具中心轨迹即可确定；对于圆弧而言，刀补后的刀具中心轨迹为与指定轮廓圆弧同心的一段圆弧，因此，圆弧的刀具半径补偿，需要计算出刀具中心轨迹圆弧的起点、终点和圆心坐标。尖角处理在普通的CNC 装置中，所能控制的轮廓轨迹只有直线和圆弧，其连接方式有：直线与直线连接、直线与圆弧连接、圆弧与圆弧连接。图2所示为直线与直线连接时各种转接的情况，编程轨迹为OA AP或者OA AF。 图2直线至直线左刀补情况（a）、（b）缩短型转换 ；（c）伸长型转换 ；（d）插入型转换 图 （a）、（b） 中，AB 、 AD 为刀具半径值，刀具中心轨迹 IB 与 DP 的交点为 C ，由数控系统求出交点 C 的坐标值 ， 使实际刀具中心轨迹为 IC CP。采取求交点的方法，从根本上解决了内轮廓加工时刀具的过切现象 。 由于 IC CP 相对于 OA 与 AK 缩短了 CB 与 DC 的长度，因此这种求交点的内轮廓过渡称为缩短型转换，这里求交点是核心任务。 图（c）中， C 点为 IB 与 DK 延长线的交点，由数控系统求出交点 C 的坐标，实际刀具中心轨迹为 IC CK 。同上道理，这种外轮廓过渡称为伸长型转换。 图（d）中，若仍采用求 IB 与 DK 交点的方法，势必过多地增加刀具的非切削空行程时间 ， 这显然是不合理的 。因此刀补算法在这里采用插入型转换 ， 即令 BC=CD=R ， 数控系统求出 C 与 C点的坐标 ，刀具中心轨迹为 IB C C DK ，即在原轨迹中间再插入 CC直线段，因此称其为插入型转换。值得一提的是，有些数控系统对上述伸长型或插入型一律采用半径为刀具半径的圆弧过渡 ，显然这种处理简单些。但当刀具进行尖角圆弧过渡时 ，轮廓过渡点始终处于切削状态，加工出现停顿，工艺性较差。1.2、刀具半径补偿的执行过程刀具半径补偿不是由编程人员来完成的。编程人员在程序中指明何处进行刀具半径补偿，指明是进行左刀补还是右刀补，并指定刀具半径，刀具半径补偿的具体工作由数控系统中的刀具半径补偿功能来完成。根据 ISO 规定，当刀具中心轨迹在程序规定的前进方向的右边时称为右刀补，用 G42 表示；反之称为左刀补，用 G41 表示。刀具半径补偿的执行过程分为刀补建立，刀补进行和刀补撤消三个步骤。第一步为刀补建立，即刀具以起刀点接近工件 ，由刀补方向 G41/G42 决定刀具中心轨迹在原来的编程轨迹基础上是伸长还是缩短了一个刀具半径值。如图3所示。 图3第二步为刀补进行，一旦刀补建立则一直维持，直至被取消。在刀补进行期间，刀具中心轨迹始终偏离编程轨迹一个刀具半径值的距离。在转接处，采用了伸长、缩短和插入三种直线过渡方式。第三步就是刀补撤消（ G40 ），即刀具离开工件，回到起刀点。和建立刀具补偿一样，刀具中心轨迹也要比编程轨迹伸长或缩短一个刀具半径值的距离。 1.3刀具半径补偿的建立和取消 1.3.1、刀具半径补偿的建立刀具半径补偿的建立就是刀具从起刀点（起刀点应位于轮廓线以外，距离切入点较近的地方）以进给速度接近工件时 ，刀具中心轨迹从与编程轨迹重合到与编程轨迹偏离一个半径值的过程（如图4） 。图4刀具半径偏置的方向由 G41( 左补偿 ) 和G42 （右补偿）确定建立刀具半径的，下面按照上图假设做此工件外轮廓（按照左补偿）程序如下：G54G40G90G17T=”MILL”(相关刀具)M6G0Z100M3S800X-10Y-10Z2G1Z-5(深度)F100G41G1X0Y0F120（刀具左补偿）Y50X50Y0G40G1X0Y0（取消刀具补偿）G0Z100M5M30建立刀具右补偿的相关指令与之相似。 1.3.2、刀具半径补偿的取消刀具半径补偿的取消与刀具半径补偿的建立相似，在零件的加工程序的最后一段刀具半径补偿轨迹加工完成以后，刀具撤离工件，回到退刀点在这个过程中应取消刀具半径补偿，其指令用G40退刀点应用于轮廓线之外，可以与起刀点相同也可以不相同。参照上图4（左补偿）其相关指令如下：G40G1X0Y0G0Z1002.刀具半径补偿功能的应用2.1、刀补功能在刀具的磨损、重磨或者更换中的应用在零件的自动加工过程中，刀具的磨损、重磨甚至更换经常发生，应用刀补值的变化可以完全避免在刀具磨损、重磨或者更换时重新修改程序的工件。在零件的加工过程中，刀具出于磨损而使其半径变小，若造成工件误差超出其工件公差，则不能满足加工要求。假设原来设置的刀补值为r1，见图5所示，经过一段时间的加工后，刀具半径变为r2，此时，可仅修改该刀具的刀补值：由原来的改为r2，而不必改变原有的程序即可满足加工要求。 图5 刀具在重磨中的应用2.2、刀具补偿在粗精加工中的应用刀具补偿功能给数控加工带来了许多方便，简化了编程工作。编程人员不但可以直接按工件轮廓编程，而且还可以用同一个加工程序对工件轮廓进行粗，精加工。当按工件轮廓编程以后，在粗加工零件时我们可以把偏置量设为R+（见下图6），其中为精加工前的加工余量；而在精加工零件时，偏置量仍然设为R（对于有公差要求的零件，精加工时的偏置量应设置为R+平均偏差/2）。 图6粗加工时的刀具半径补偿值在数控程序的编写中，一般把半径补偿量在补偿代码中输入为正值 （+） 时设置为加工外型面，刀具走到轨迹为A( 见图7) ；把半径补偿量在补偿代码中输入为负值（-）时设置为加工内型面，刀具走到轨迹为B（见图7）。在走刀轨迹不变的情况下，两种输入相当于把数控程序中的补偿位置指令 G41、G42 互换，即加工工件外侧的刀具变成在工件内侧进行加工。图7刀具补偿量的指定目前的数控系统一般都可以设置若干个可编程刀具半径偏置寄存器，并对其编号，专供刀具补偿之用；在加工中心中还可以进行修改刀库内的所用刀具半径进行半径补偿。在加工中，如果没有更换刀具，则该刀具的补偿量一直有效。所以如果在下面程序中的不需要刀具补偿需及时取消该刀具的半径补偿。对于半径补偿量的确定，如果是标准刀具第一次使用，可以采用刀具厂家提供的相关参数来确定，如果是已使用或重磨过的刀具，则根据实测数据来确定。2.3、用刀补功能去除余量（1）用刀补去余量应该注意的问题 含内圆弧轮廓时去余量。要去除余量，在加工轮廓所用刀补值得基础上，必须采用增加刀补值来实现，对于外圆弧轮廓，最大值不受限制，对于内圆弧轮廓，刀补值一般应小于内轮廓最小曲率半径，否则可能会引起干涉等问题。如图8所示顿角包围的圆弧轮廓，可用加刀补值去除余量。 轨迹 图8内轮廓去余量钝角内圆弧轮廓去余量 锐角内圆弧去余量。两锐角边用圆弧连接形成的内轮廓如图9所示，当刀位点在安全区时，不会产生问题，在警界线包围区域，则产生过切，从图9分析，最大刀补值可以大于圆弧最小曲率半径，但如过大，则会引起过切，因此最大刀补值受到限制：如果是直角或钝角，从刀具轨迹分析可知，不会产生干涉过切现象，因此最大刀补值不会受到限制。 图9 锐角内去余量2.4、用刀补控制尺寸精度 零件尺寸精度涉及到工艺、设备和刀具等多方面因数，因磨损、重磨或换新刀引起刀具直径改变后，机床只要具有刀补功能，就不必修改程序，只调整刀补值即可。要保证尺寸精度，在工艺上应安排粗、精加工，并充分利用刀补功能，根据加工过程工件测量值来调整刀补值和工艺参数，以达到零件精度要求。以下说明精度控制方法。 加工一个（79.92mm79.98mm）（79.92mm79.98mm）2mm方体零件，按照公称尺寸编程如下（加工中心程序）：G54G40G17G90T=”MILL16”M6(选择刀具)G0Z100M3S800X-60Y-60Z2G01Z-2F100G41G1X-40Y-50F120（刀具补偿）Y40X40Y-40待添加的隐藏文字内容3X-50G40X-60Y-60（取消刀补）G0Z100M30 上述程序采用顺铣工艺，顺铣让刀，会少切，故可取小的精加工余量，如0.02mm，那么粗加工的刀补值为8.2mm，按此值加工，假如测得边长80.46mm，实际合格尺寸为79.9279.98mm。因为是外轮廓，按最大尺寸计算刀补，单边实际余量为（80.46-79.98）/2=0.24mm，精加工应取刀补值D=8.2-0.24=7.96mm，按照7.96mm刀补进行精加工，理论上得到79.98mm尺寸，实际上精加工时切削量少，顺铣让刀少，所以真实尺寸比理论尺寸小，因此根据刀具情况，精加工时可适当加大刀补，如再次测量尺寸已很接近精度要求，可不调整刀补，用空走刀来处理。3、使用刀具补偿时注意事项前面阐述了如何灵活应用刀具半径补偿功能，合理设置刀具半径补偿值，然后在实际使用中还需注意以下几点：（ 1 ） 从无刀具补偿状态进入刀具半径补偿方式时，或在撤消刀具半径偿时，刀具必须移动一段距离，否则刀具会沿运动的法向直接移动一个半径量，很容易出意外，特别在加工全切削型腔时，刀具无法转回空间，会造成刀具崩断。（ 2 ）G41,G42,G40 必须在 G00 或 G01 的模式下使用；G41，G42不能重复使用，且在使用时不允许有两句连续的非移动指令。（ 3 ）在使用刀具半径补偿的过程中应避免以下几种过切现象：半径补偿中的过切：在建立半径补偿或取消半径补偿时刀具必须在补偿平面内移动且移动距离应大于补偿值，否则会出现过切；加工零件内轮廓小于刀具半径时会过切；加工沟槽时被铣削的沟槽底宽小于半径时也会出现过切。结束语在数控加工中刀补不可缺少，在粗加工时运用刀具半径补偿功能可以使加工程序变得简单，使得编写程序更快更简明，可以大大的减少编程时间，可以减少机床读取程序的时间。程序减少了就可以使错误率降低总之刀具的半径补偿在数控加工中有着非常重要的作用，灵活的，合理的结合刀补原理运用刀具的半径补偿，还可以保证数控机床加工的有效性，准确性。参考文献1数控原理与系统 郑晓峰 机械工业出版社2数控加工工艺与编程 陈洪涛 高等教育出版社3机械设计基础 杨可桢 程光蕴 李仲生 高等教育出版社4机械制造技术基础 黄健求 机械工业出版社 致 谢在这次技师论文设计过程中，我也体会到了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。在此感谢我们的、陈昌亚老师、吴新龙老师，对我的帮助，老师严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；老师循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪；这次论文设计的每个实验细节和每个数据，都离不开老师您的细心指导。而您开朗的个性和宽容的态度，帮助我能够很顺利的完成了这次论文设计。同时感谢对我帮助过的同学们，谢谢你们对我的帮助和支持，让我感受到同学的友谊。 由于本人的论文设计能力有限，在论文设计过程中难免出现错误，恳请老师们多多指教，我十分乐意接受你们的批评与指正，本人将万分感谢。钱程2012年3月31日